Bài gi ng n C u Tc Máy nh
Ch ng 1: ươ
Gi i thi u chung v ki n trúc máy tính ế
1.1. Khái ni m v ki n trúc máy tính: ế
Ki n trúc y tính (Computer Architecture) m t khái ni m tr u t ng c a m tế ượ
h th ng tính toán d i quan đi m c a ng i l p trình ho c ng i vi t ch ng trình ướ ườ ườ ế ươ
d cch. i cách khác, ki n trúc y tính đ c xem xét theo khía c nh ng i l p trình ế ượ ườ
có th can thi p vào m i m c đ c quy n, bao g m các thanh ghi, ô nh các ng t ... có th
đ c thâm nh p thông qua các l nh.ượ
1.2. L ch s phát tri n c a máy tính:
Tr c khi y tính đi n t ra đ i, ng c tính toán c a con ng i đ c b t đ uướ ườ ượ
t ngón tay, các hòn s i, b n tính g y b ng ngón tay, y c ng c k, máy tính c khí. ơ ơ
K t khi ra đ i, máy tính đi n t nh m t cu c cách m ng chuy n k thu t tính ư
toán sang m t giai đo n m i, giai đo n bán t đ ngt đ ng hoá. Con ng i th ra ườ
l nh cho máy vi tính làm c công vi c thay mình.
Ban đ u, y tính đ n thu n ch đ tsnh toán, văn b n, sau đó đ n c ti n ích ơ ế
khác nh xem phim, nghe nh c, ch i đi n t , x đ ho , k t n i m ng... Đ đ cư ơ ế ượ
nh ng thành qu nh ngày m nay, máy tính đi n t đã tr i qua nhi u ch ng đ ng phát ư ườ
tri n kc nhau. Sau đây chúng ta s đi tìm hi u c th t ng th i kỳ đó
- T năm 1943 đ n năm 1955: ế
+ c y tính đ c ch t o t bóng đèn đi n t chân kng, tiêu th đi n năngượ ế
l n. T c đ tính toán vài nghìn phép tính trên m t giây. Ngôn ng l p trình các ngôn
ng ký hi u, ngôn ng y.
+ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) y tính đi n t s
đ u tiên do Giáo s Mauchly ng i h c trò Eckert t i Đ i h c Pennsylvania thi t k ư ườ ế ế
o năm 1943 đ c hoàn thành vào năm 1946 đ c BRL (Ballistics Research Laboratoryượ ượ
Phòng nghiên c u đ n đ o quân đ i M ) ng cho vi c tính toán chính c nhanh
chóng các b ng s li u đ n đ o cho t ng lo i khí m i. Đây là m t máy tính kh ng l
v i th tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và r ng vài mét. ENIAC bao g m: 18.000 đèn đi n t ,
1.500 công t c t đ ng, cân n ng 30 t n và tiêu th 140KW gi . Nó có 20 thanh ghi 10 bit
(tính toán trên s th p phân). Có kh năng th c hi n 5.000 phép toán c ng trong m t giây.
ng vi c l p trình b ng tay b ngch đ u n i các đ u c m đi n và dùng c ng t đi n.
+ IAS (Institute for Advanced Studies) đ c giáo s toán h c John Von Neumannượ ư
(c v n c a d án ENIAC) đã đ a ra ý t ng thi t k máy tính b t đ u t 1947hoàn ư ưở ế ế
thành 1952 t i h c vi n nghiên c u cao c p Princeton c a M . Ch ng trình đ c l u ươ ượ ư
trong b nh , b đi u khi n s l y l nh bi n đ i giá tr c a d li u trong ph n b ế
nh , b làm toán lu n (ALU: Arithmetic And Logic Unit) đ c đi u khi n đ tính ượ
toán trên d li u nh phân, đi u khi n ho t đ ng c a các thi t b vào ra. Đây m t ý ế
t ng n n t ng cho c máy nh hi n đ i ngày nay. y tính này còn đ c g i máyưở ượ
tính Von Neumann.
+ Vào nh ng năm đ u c a th p niên 50, nh ng máy tính th ng m i đ u tiên đ c ươ ượ
đ a ra th tr ng: h y UNIVAC (Universal Automatic Computer) phiên b n I, II và hư ườ
y IBM (International Business Machine) 701, 702.
- T năm 1956 đ n năm 1965: ế
Trang 1
Bài gi ng n C u Tc Máy Tính
+ Các máy nh s d ng các bóng đèn đi n t chân không có nh c đi m là t c đ ượ
tính toán ch m, nhi t l ng to ra l n kích th c c ng k nh. Đ kh c ph c nh c ượ ướ ượ
đi m này, các máy tính đ c ch t o t các ch t bán d n, tiêu th đi n năng ít h n. Ý ượ ế ơ
t ng dùng ch t bán d n đ c Bardeen, Brattain, Shockley c a phòng thí nghi m Bellưở ượ
Labs đã phát minh đã đ c gi i Nobel v t lý năm 1956. T c đ tính tn hàng v n phépượ
tính trên m t gy. Đ c trang b b nh trong l n, các thi t b ngo i vi b t đ u phát tri n ượ ế
nh mànnh tr ng đen,n phím...ư
+ Máy tính PDP-1 c a DEC (Digital Equipment Corporation) và IBM 7094 là nh ng
y tính nh g n đ u tiên tiêu bi u cho th i kỳ này.
+ Ngôn ng c p cao xu t hi n (nh FORTRAN m 1956, COBOL năm 1959, ư
ALGOL năm 1960) và h đi u hành ki u tu n t (Batch Processing) đ c dùng. Trong h ượ
đi u hànhy, ch ng trình c a ng i dùng th nh t đ c ch y, xong đ n ch ng trình ươ ư ượ ế ươ
c a ng i dùng th hai và c th ti p t c. ườ ế ế
- T năm t năm 1966 đ n năm 1975: ế
+ Công ngh bán d n ra đ i là m t b c nh y v t, đã kh c ph c đ c nh ng h n ướ ượ
ch c a các bóng đèn đi n t chân không tho mãn đ c nh ng đòi h i lúc b y gi .ế ượ
Tuy nhiên sau quá trình phát tri n y đã d n b c l nh ng m t y u kém. d khi c n ế
đáp ng máy nh t c đ cao h n, kh năng nh toán l n các ng d ng đa d ng thì ơ
ch th c c a nó càng tăngn và giá thành cao h n. Chính v y mà m t công ngh m iướ ơ
ra đ i đã kh c ph c nh ng nh c đi m trên, đó công ngh vi m ch hay còn g i IC ư
(Integrated Circuit) đ c Jack Kilby Robert Noyce đ xu t t năm 1958. Các y tínhượ
đ c ch t o t các m ch IC t c đ tính toán hàng tri u phép nh trên giây, nượ ế
nh đ ho u.
+ IBM360 h máy tính ng nghi p đ u tiên đ c s n xu t m t cách k ượ ế
ho ch. Đ c bi t khái ni m h máy tính bao g m các máy tính t ng thích nhau m t ươ
khái ni m m i h t s c thành công. Nh đó m t ch ng trình đ c vi t cho y ế ươ ượ ế
y cũng s dùng đ c trên nh ng máy khácng h v i nó. Khái ni m này đã đ c dùng ượ ượ
cho đ n ngày nay.ế
+ PDP-8 đã s d ng m t c u trúc r t ph d ng hi n nay cho c y mini vi
tính là c u trúc đ ng truy n. Đ ng truy n PDP-8, đ c g i là Omnibus, g m 96 đ ng ườ ườ ượ ườ
tín hi u riêng bi t, đ c s d ng đ mang chuy n tín hi u đi u khi n, đ a ch và d li u. ượ
+ Năm 1971 đánh d u s ra đ i c a b vi x đ u tiên c a Intel 4004,
4bit Bus d li u 12bit Bus đ a ch , đ c tích h p t c m ch IC đóng trong 1 chip ượ
nh . Chi c máy tính đi n t s d ng b vi x lý trên đ c g i là máy vi tính. T c đ c a ế ượ
t ng tri u đ n vài tr c tri u phép tính trên y. ế
+ Vào th i đi m này, các ngôn ng l p trình v h đi u nh phát tri n m nh
đ c bi t là các ph n m m ng d ng ngày m t phong phú h n. ơ
- T năm 1976 đ n năm 1980: ế
+ Công ngh IC không ng ng phát tri n, các vi m ch ngày càng đ c c y nhi u ượ
linh ki n h n, ch th c ngày m t nh g n h n, t c đ x cao h n. Đ c bi t nhi u ơ ướ ơ ơ
IC công su t l n ra đ ic s đ các vi x 8080, 8085 c a Intel ra đ i. Các vi x ơ
này 8bit Bus d li u 16bit Bus đ a ch , nâng t c đ x lên t i ng trăm tri u
phép tính trên gy.
+ Năm 1980 đánh d u s ra đ i c a chi c máy vi tính cá nhân đ u tiên c a IBM s ế
d ng b vi x Intel 8086 có 16bit Bus d li u và 20bit Bus đ a ch , tăng kh năng x
lên t i vài trăm tri u phép tính trên giây, kh năng qu n b nh lên t i 1MB. H
Trang 2
Bài gi ng n C u Tc Máy Tính
đi u nh b t đ u phát tri n m nh nh DOS c a Microsoft, ngoài ra còn có ngôn ng trí ư
tu nhân t o Prolog (Programming Logic).
- T năm 1981 đ n năm 1983: ế
+ Ra đ i chi c y vi tính cá nhân PC XT c a IBM s d ng b vi x 8088 c a ế
Intel 8bit Bus d li u 20 bit Bus đ a ch . Đ n đây, nhìn v g c đ k thu t ta th y ế
y vi tính PC XT m t b c th t lùi v công ngh , năm 80 đã ra đ i chi c máy vi ướ ế
tính cá nhân s d ng b x lý 8086 có 16bit Bus d li u và 20 bit Bus đ a ch . Tuy nhn lý
do ra đ i c a PC XT l i y u t th ng m i, b i lúc b y gi trên th tr ng xu t ế ươ ư
hi n đa s c vi x 8bit, trong khi vi x lý 8086 và vi x lý 16bit không t ng thích v i ươ
h th ng máy vi tính cũ và giá thành c a nó quá cao. Vì th hãng Intel đã tung ra th tr ng ế ườ
vi x lý 8088 m c dù c u trúc bên trong c a nó là các vi m ch c a vi x lý 8086. Vi x
8088 giao ti p v i các thi t b khác qua Bus 8bit, vì v y giá c a nó r h n vi x 8086ế ế ơ
đ c ví nh b x d n đ ng cho ng ngh 16 bit sau y.ượ ư ườ
+ PC XT máy vi tính đ u tiên đ c trang b c ng, đĩa m m 360KB b ượ
nh trong lên t i 256KB, khe c m m r ng ISA (Industry Standard Architecture) 8bit
tăng kh năng k t n i các thành ph n ngo i vi. ế
- T năm 1984 đ n năm 1987: ế
+ Ra đ i chi c máy vi tính cá nhân PC AT c a IBM s d ng b vi x lý 80286 c a ế
Intel 16bit Bus d li u 24bit Bus đ a ch , nâng kh năng qu n b nh lên t i
16MB. Ngoài kh năng ho t đ ng trong ch đ th c nh các máy vi tính tr c đó thì PC ế ư ướ
AT còn có thêm kh năng ho t đ ng trong ch đ đa nhi m, khe c m ISA đ c m r ng ế ượ
thành khe c m chu n 16bit.
+ T c đ ho t đ ng c a PC AT t 6-8Mhz, các giao di n đ ho b t đ u phát
tri n, chu t y vi tính xu t hi n nh m t ng c h u ích cho đ ho . H đi u hành ư
DOS không ng ng phát tri n, đ c bi t xu t hi n h đi u hành đa ch ng trình đ u ươ
tiên Window1.0 gp cho giao ti p gi a ng i s d ng máy vi nh d dàng h n.ế ườ ơ
- T năm 1988 đ n năm 1989: ế
Ra đ i máy vi tính s d ng b vi x 80386 c a Intel 32bit Bus d li u
32bit Bus đ a ch , nâng kh năng qu n b nh lên t i 4GB. T c đ x c a
33Mhz, đ c trang b khe c m m r ng 32bit EISA (Extended Industry Standardượ
Architecture), có nhi u thi t b ngo i vi ph c v cho các nhu c u gi i trí, xem ế phim, nghe
nh c, trò ch i, đ ho ... tuy nhiên ch t l ng ch a cao. ơ ượ ư
- T năm 1990 đ n năm 1992: ế
+ Ra đ i chi c máy vi tính s d ng b vi x lý 80486 cũng có 32bit Bus d li u và ế
32bit Bus đ a ch nh vi x 80386, tuy nhiên đ c b sung thêm 8KB b nh đ m ư ượ
mã l nh vì v y t c đ c anhanh h n r t nhi u so v i vi x 80386. T c đ c a ơ
lên t i 66Mhz.
+ Máy vi tính th h này đ c trang b Bus c c b VESA (Video Electronicsế ượ
Standard Asociation) đáp ng c nhu c u v t c đ và đ phân gi i c a c Card Video,
truy n d li u c a các y vi tính thông qua m ng. H đi u hành đ c c i ti n nhi u ượ ế
h n, đ c bi t là v đa ph ng ti n đó là Windows 3.0.ơ ươ
- T năm 1993 đ n 1994: ế
+ Đánh d u s ra đ i c a máy vi tính s d ng b vi x 80586 (hay g i
Pentium). Nó m ra m t th h y vi tính m i ho t đ ng v i 64bit Bus d li u và 32bit ế
Bus đ a ch , 8KB b nh đ m cho l nh 8KB b nh đ m cho d li u. T c đ
ho t đ ng lên t i 200Mhz.
Trang 3
Bài gi ng n C u Tc Máy Tính
+ Máy vi tính th h này đ c trang b Bus 32bit PCI (Peripheral Compomentsế ượ
Interconnect - Bus k t n i các thành ph n ngo i vi), t c truy n g p 4 l n Bus ISAế
Bus h tr ch c năng “c m là ch y” (Plug and Play).
+ Đ c bi t xu t hi n h đi u hành Windows NT h đi u hành tách r i kh i
DOS, có nhi u tính năng b o m t và qu n tr m ng cao. Tuy nhn ch c c a t ng ươ
đ i l n, đòi h i c u hình caon ch êu ph c v cho c máy ch và tr m làm vi c.
- T năm 1995 đ n năm 1999: ế
+ L n l t ra đ i các th h y vi tính nh Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium ư ế ư
II. Pentium MMX (Multimendia Extension) là th h y vi tính nh m vào th tr ng máyế ườ
vi nh gia đình. Nó phát huy đ c nh ng m c đích v đa ph ng di n nh đ ho , ch iượ ươ ư ơ
Game, xem phim, nghe nh c... n Pentium Pro l i nh m vào th tr ng máy ch c ườ
tr m làm vi c, nó thích h p cho vi c x lý nh ng công vi c tính toán có đ ph c t p cao,
đ c bi t trong lĩnh v c qu n tr m ng. Pentium II k t h p c hai lo i máy vi nh trên, ế
đ c bi t có kh năng x lý đ ho 3D và nhi u ng d ng v Multimendia.
+ Các lo i máy vi tính này đ c trang b Bus tu n t đa năng USB (Universa ượ Serial
Bus ) lo i Bus có t c đ nhanh g p 10 l n t c đ c a giao di n song song và g p 100
l n so v i giao di n tu n t . Đ c bi t Bus y kh năng k t n i đ c 127 thi t b ế ượ ế
ngo i vi thông qua h th ng cáp USB.
+ T c đ c a các máy vi tính này t ng đ i cao t 133 ươ 450MHZ. Đ c bi t trong
th i gian đó l n l t ra đ i c h đi u hành Windows 95 và h đi u nh Windows 98 là ượ
nh ng h đi u nh 32bit v i giao di n đ p, nhi u tính năng h tr v Multimedia, qu n
tr m ng và Internet…
- T n¨m 1999:
Xu t hi n Pentium III đã đánh d u m t b c ngo t l n, h tr m nh v kh ướ
năng bi u di n không gian 3 chi u, kh năng nh n bi t và t ng h p ti ng nói và đ c bi t ế ế
là có th làm nhi u ng vi c ng m t c. Tính năng c a nó r t phong phú đa d ng nh ư
v a gi i quy t nh ng i toán ph c t p, v a th nghe nh c, xem ế phim, xem tivi, ch iơ
Game t c đ cao, truy c p Web... T c đ c a y vi tính Pentium t ng đ i cao t ươ
4501,2 Ghz.
- T n¨m 2000 ®Õn nay:
Ngi s phát tri n r m r không ng ng c a Pentium III, đ u năm 2000 xu t hi n
Pentium IV v i t c đ chóng m t t 1,4 4,4 Ghz. Đây lo i máy vi tính đ c s d ng ượ
cho các nhà chuyên nghi p x phim nh, thi t k đ ho , công ngh s , qu n tr ế ế
m ng… Nó th c s tr thành m t cánh tay đ c l c không th thi u đ i v i ng i s ế ườ
d ng. Cũng năm 2000 y hãng Microsofl cho ra đ i h đi u hành Windows 2000, đây
m t h đi u hành h tr t t nh t cho Pentium IV. Đi m n i b t c a nó chính là kh năng
b o m t r t cao, h tr t t công ngh siêu pn lu ng c a Pentium IV...
1.3. Phân lo i máy tính:
D a vào kích th c v t lý, hi u su tlĩnh v c s d ng, hi n nay ng i ta pn ướ ườ
lo i máy tính nh sau: ư
- Pn lo i y tính truy n th ng:
+ Máy tính l n (Mainframe Computer)
+ Máy tính nh (Minicomputer)
+ Máy vi tính (Microcomputer/Personal Computer):
Desktop Computer
Trang 4
Bài gi ng n C u Tc Máy Tính
Laptop Computer
+ Máy tính c m tay (Handheld Computer)
+ Máy đi u khi n (Micro-Controller)
- Pn lo i y tính hi n đ i:
+ Máy tính đ bàn (Desktop Computer)
+ Máy ch (Server)
+ Máy tính nng (Embedded Computer)
D a vào ki n trúc c a máy tính ng i ta phân lo i máy tính rac lo i nh sau: ế ườ ư
- Ki nế
trúc đ nơ
ng l nh
đ nơ d
liêu
(Single Instruction Single Data - SISD):
-
Ki n trúc đế ơn dòng l nh đã d li u (Single Instruction Multiple Data - CIMD):
Trang 5